Kolets kretslopp
Kolets biogeokemiska kretslopp Fotosyntes Koldioxid och vatten blir organiskt material och syre i gröna växter. Energi från solljus byggs på detta sätt in i det organsika materialet. Växterna tar under processen upp näringsämnen som kväve, fosfor och svavel ur marken. Aerob respiration Djur, svampar och bakterier bryter vid tillgång på syre ned organiskt material till koldioxid och vatten. Man säger att det organiska materialet oxideras till koldioxid och syre reduceras till vatten. Närsalterna kväve, fosfor, svavel och kalium med flera mineraliseras. Solenergin som bands i det organiska materialet används av organismerna i deras livsprocesser, slutresultatet blir värme som avges till omgivningen.
Kolets kretslopp mänskliga aktiviteter
Kolets kretslopp anaerob respiration
Anaerob respiration När syre inte finns tillgängligt i miljön övergår en del bakterier till att istället oxidera/förbränna det organiska materialet med syreinnehållande molekyler som nitrat och sulfat. Om bakterierna använder nitrat blir resultatet koldioxid och kvävgas.relativt mycket energi frisätts vid förbränningen som bakterierna kan utnyttja för sina livsprocesser. Vid oxidation/respiration av organiskt material med syreinnehållande föreningen sulfat bildas koldioxid (oxiderat kol) och svavelväte (reducerat svavel). Eftersom svavelväte är en relativt energirik molekyl blir mindre energi över till bakteriernas livsprocesser. Det sammanlagda energiinnehållet i bildat svavelväte och det som är tillgängligt för bakteriernas livsprocesser motsvarar de solenergi som bundits i det organiska materialet.
Fermentation När de syreinnehållande molekylerna har tagit slut tar fermentationsreaktioner vid. Fermentationer är reaktioner vars slutprodukter är koldioxid och ett energirikt kolväte, som etanol, organiska syror, eller vätgas. Vid fermentationsreaktioner oxiderar bakterierna vissa delar av det organiska materialet till koldioxid. Andra delar blir till de mycket energirika (reducerade) fermentationsprodukterna. Eftersom så mycket av energin i det ursprungliga organiska materialet hamnar i dessa produkter blir energiutbytet för bakterierna litet. De slutliga produkterna av en fullständig fermentation är metan och koldioxid. Metan är den mest energirika (reducerade) enkolsföreningen medan koldioxid är den mest energifattiga (oxiderade). Det sista steget i processen, metanogenesen, utförs av archaea. En typ av levande organism som är mycket olik bakterier. Archaea är mer olika bakterier än vad bakterier är olik människor. Vi kommer att titta närmare på fermentation/metanogenes under nästa lektion
Kolets kretslopp
I naturen exempel havsbotten, sediment
Överkurs: Redoxpotential Alla de nämnda reaktionerna/processerna består av en oxidation och en reduktion sk. redoxreaktioner. Det betyder att elektroner flyttas från en molekyl som oxideras till en annan som reduceras. Då uppkommer två nya ämnen som tillsammans innehåller mindre energi än de två ursprungliga. Den energin mäts som redoxpotential och är den energi som bakterierna har att utnyttja för sina livsprocesser. Exempel ur texten ovan: Organiskt material oxideras och syre reduceras resultatet blir koldioxid och vatten. Dvs elektroner flyttas från organiskt material till syre varvid de nya föreningarna koldioxid och vatten uppkommer. Koldioxid och vatten har betydligt lägre energi; mycket energi till livsprocesserna. Organiskt material oxideras och sulfat reduceras. Resultatet blir koldioxid och svavelväte. Svavelväte inehåller en hel del energi varför det blir mindre energi till livsprocesser.
Råvaror vid rågasframställning källa. Substrathandboken
Grundläggande begrepp C/N kvot energiinnehåll/näringsinnehåll Optimalt 15-25 Metanpotential Utrötningsförsök eller teoretisk potential anges i Nm3/tonVS Utrötningsförsök: VS och TS VS minus lignin kan bli gas
Grundläggande begrepp Specifik organisk belastning Organisk belastning Rötkammarvolym = OLR Exempel: 6 ton substrat med TS 9% och VS 90 % matas varje dygn in i en rötkammare som är 500 m3 stor 6000*0,09*0,9/500 = 0,97 kgvs/m3 d Utrötningsgrad VS in / VS ut Andel av det organiska materialet som blir gas
Grundläggande begrepp Hydraulisk uppehållstid SolidsRetentionTime Rötkammarens volym Tillförd dygnsvolym Massan TS ut ur systemet Massan TS i rötkammaren = HLR = SRT SRT= HLR SRT>HLR
Uppgift Räkna ut utrötningsgraden i rötkammrarna i anläggningen. Rötkammarvolym 14000 m3. GF=VS
Anläggningens delar
Pumpa in Förträngningspumpar Varvtalet är rätlinjigt proportionellt mot flödet Bra vid inmatning av substrat Centrifugalpumpar Flödet beror av varvtal och mottryck Bra vid höga flöden
Värma upp Extern värmeväxlare Värmeslingor Varmvattenslingor i rötkammaren. (Ånginjicering)
Värmeväxlare
Omrörningsmetoder Låg energiförbrukning Saker kan lindas kring axel eller fastna: axelbrott Hög energiförbrukning Kan ibland orsaka skummningsproblem
Omrörningsmetoder Effektiv omrörning Kan kombineras med skumdämpande dysor uppifrån. Lägst energiförbrukning Reverserad drift för skumdämpning Ovanlig i Sverige; används på äggformade r.k.
Anläggningens delar
Bearbetningsmetoder vid rågasframställning Deponigasanläggning Lantbruksanläggning Avloppsreningsverk Anläggning för matavfall
Lantbruksanläggning
Lantbruksanläggning Flytgödsel; Gris och höns; låg C/N kvot mineralrikt kontinuerlig ympning Ensilage; hög, varierande C/N kvot lång uppehållstid Samrötningsfördelar mer gas stabil process
Lantbruksanläggning Mottagning Gödselbrunn Förbehandling Kvarn Hygienisering om många gårdar
Lantbruksanläggning Rötning Mesofil, 37 C; låg C/N kvot Svavelvätereduktion Gasanvändning CHP, uppgradering Rötrestlager Täckt eller svämtäcke. Mineraliserad gödsel ger minskat läckage av näringsämnen till vattendrag
Avloppsreningsverk
Avloppreningsverk
Förbehandling Mekaniska vattenreningen Galler Kvarn Sandfång Försedimentering Gravitationsförtjockare Från 2-3 %TS till 5-6%TS Förtjockarcentrifug Valfri TS halt Polymertillsats
Förbehandling Flotationsförtjockare; Används för svårsedimenterat slam som bioslam I flotationsanläggningen höjs torrsubstanshalten i slammet genom att vatten avskiljs. Processen inleds med att slammet tillförs polymer och dispersion. Dispersion är processvatten som under tryck övermättats med luft med hjälp av en kompressor. När trycket släpps bildas små luftbubblor som fastnar på slammet varvid det flyter upp och bildar ett flytslam som skrapas av vattenytan.
Rötning Oftast inga problem med näringssammansättning Kan ibland uppstå problem med hämmande ämnen Skummningsproblem kan uppkomma när primärslam blandas med bioslam. Orsak filamentbildande bakterier.
Avvattning och rejektvattenbehandling Till 25 30 % TS Bandfilterpress Ger minskat transportbehov för rötslam SBR Rejektvattnet går tillbaka till reningsverket via rejektvattenbehandling.
Anläggning för matavfall
Anläggning för matavfall
Förbehandling Mottagning Tippficka Sönderdelning Kross Kvarn
Förbehandling Separering Skivsikt Skruvpress
Förbehandling
Förbehandling Separering Sandfång med screenrake Separering i vattenbad Tung fraktion; sand Lätt fraktion; plast Mellanfraktion; till rötning
Sorterings metoder Avancerad sortering ger ca 5% metanpotential i rejekt Enklare sortering med bara skruvpress ger ca 30 % metanpotential i rejekt
Hygienisering Max 12 mm partikelstorlek 70 C i minst 1 h
Rötning av matavfall Bra sammansättning Stort behov av förbehandling Ofta termofil rötning Hygienisering krävs Hög TS/låg viskositet; behöver spädas för att bli pumpbart Hög metanpotential
Avvattning Ger uppdelning i flytande rötrest med högt kväveinnehåll och fast rötrest med hög fosforhalt Ger processvatten för spädning av substrat
Anläggning för matavfall
Alternativ metod; torrötning följd av våtrötning
Reningsverk/rötningsmetoder för industrier UASB-reaktor
Deponigas
Deponigas 40 60 % metan i gasen 5-20 % kvävgas (från luft) 30-35 % av gasen som bildas i deponin samlas in Föroreningar i gasen som orsakar problem i motorer; siloxaner och halogenerade kolväten Förbränning eller ev. kraftvärme efter reningssteg.
Pyrolys Organiskt material upphettas till 400 C -700 C utan tillgång till syre Tre produkter 1) Gas - vätgas, kolmonoxid, metan 5-20 % av varje beroende på tryck temperatur mm 2) Olja -fenoler, aromater Behöver genomgå kemisk reformering för att kunna användas 3) Kol (Trä biochar, träkol)
Förgasning Organiskt material upphettas till 800-1500 C utan tillgång till syre. Gasen renas till syngas som kan användas till att framställa tex diesel
Förädlingsmetoder till energiprodukter Kraft (el) och värme CHP Fordonsgas
Uppgradering till fordonsgas Från 60-65% metan till 98 % metan genom att ta bort koldioxid. Orsak utrymmesbesparande i tanken. Ta bort svavelväte; orsak skadar motorn, försurar miljön.
Uppgraderingsmetoder Vattenskrubber Amin-skrubber Kryoteknik, Membranteknik, PSA, Ekologisk lunga,